Lý sinh nhiệt động học

Sinh vật = vật sống, vật có sự sống  Sự sống theo Mednhicov: “ sự duy trì và tự tái tạo một cách tích cực các cấu trúc đặc thù kèm theo tiêu tốn năng lượng”  Các tính chất đặc trưng của sự sống  Có cấu trúc phức tạp và tổ chức tinh vi: cơ thể sinh vật cũng được tạo nên từ các nguyên tố hóa học trong tự nhiên nhưng cấu trúc bên trong vô cùng phức tạp bao gồm vô số các hợp chất hóa học.  Có sự chuyển hóa năng lượng phức tạp: thu nhận năng lượng từ môi trường ngoài và biến đổi nó để xây dựng và duy trì tổ chức phức tạp đặc trưng cho sự sống.  Thông tin của sự sống thì ổn định, chính xác và liên tục: liên quan đến các quá trình sống chủ yếu như sinh sản, phát triển, tiến hóa và các phản ứng thích nghi.Một số quá trình nhiệt động  Quá trình biến đổi trạng thái  Phương trình MendeleevClapeyron pV = nRT R – 8.31 Jmol.K 0 hằng số khí lý tưởng A – đẳng áp Entanpi: H = U + pV dH = dU + d(pV) B – đẳng tích C – đẳng nhiệtCÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG TRONG HỆ SỐNG  Phương pháp nghiên cứu – thống kê  Phương pháp nhiệt động  Nguyên lý số 0 nếu hai hệ cân bằng nhiệt với một hệ thứ ba thì chúng ở trạng thái cân bằng nhiệt với nhau  ứng dụng:CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG TRONG HỆ SỐNG Định luật bảo toàn và biến đổi năng lượng: “Năng l ượng không tự nhiên xuất hi ện và không thể biến mất, nó chỉ biến đ ổi t ừ dạng này sang dạng khác” Lomonosov 1774, Hexo 1836, Jun 1877 Nguyên lý thứ nhất: “Nhiệt l ượng Q mà hệ nhận đ ược trong một quá trình bất kỳ sẽ bằng công A mà hệ sinh ra cộng với sự biến đ ổi nội năng U của hệ” Đối với hệ kín Q = A + U ►Q > 0 Khi hệ thu nhiệt ►Q < 0 Khi hệ mất nhiệt

NHIỆT ĐỘNG HỌC CỦA CƠ THỂ SỐNG

Hệ nhiệt động theo mối quan hệ với môi trường :

Closed system

Open system Isolated system

Sinh vật = vật sống, vật có sự sống

 Sự sống theo Mednhicov: “ sự duy trì và tự tái tạo một cách tích cực các cấu trúc đặc thù kèm theo tiêu tốn năng lượng”

 Các tính chất đặc trưng của sự sống

 Có cấu trúc phức tạp và tổ chức tinh vi: cơ thể sinh vật cũng được tạo

nên từ các nguyên tố hóa học trong tự nhiên nhưng cấu trúc bên trong vô cùng phức tạp bao gồm vô số các hợp chất hóa học

 Có sự chuyển hóa năng lượng phức tạp: thu nhận năng lượng từ môi

trường ngoài và biến đổi nó để xây dựng và duy trì tổ chức phức tạp đặc

trưng cho sự sống.

 Thông tin của sự sống thì ổn định, chính xác và liên tục: liên quan đến

các quá trình sống chủ yếu như sinh sản, phát triển, tiến hóa và các phản

ứng thích nghi.

Cơ thể sống

là hệ nhiệt động mở,

dị thể

Các thông số trạng thái của hệ

 Nhiệt độ T ( thang nhiệt độ )

 A>0 hệ sinh công, Q>0 hệ thu nhiệt

 Trong nhiệt hóa thì ký hiệu nhiệt lượng q

 q>0 hệ tỏa nhiệt, q<0 hệ thu nhiệt

Cân bằng nhiệt động:

Là trạng thái mà hệ không có bất kỳ sự biến đổi nào và các thông số trạng thái không

biến đổi theo thời gian.

Khi ở trạng thái cân bằng nhiệt động thì hệ không còn khả năng sinh công.

Năng lượng

 Là đại lượng vật lý đặc trưng cho khả

năng sinh công của vật “Thước đo” cho

sự chuyển vận của vật chất

>>> năng lượng là khả năng làm thay đổi trạng thái hoặc thực hiện công

năng lên một hệ vật chất

 Đơn vị: Jun, Calo, kW.h, eV … kg.m2.s-2

 Năng lượng trong trọng trường gồm:

 Động năng, Thế năng, Nội năng

Nội năng

 Nội năng là năng lượng dự trữ toàn phần của tất cả các dạng chuyển động và tương tác của tất cả các phần từ nằm trong hệ

 Gồm: năng lượng chuyển động tịnh tiến của phân tử, năng lượng e- trong ngtu, năng lượng hạt nhân của phân từ, năng lượng dạo động, năng lượng quay của các phân tử, năng lượng liên kết bề mặt ở giữa các pha …

 Ngoại trừ: Động năng của chuyển động tập thể của

hệ và thế năng tương tác của hệ với môi trường bên ngoài ( trọng trường ).

 U = 3/2nRT đối với khí lý tưởng

CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG TRONG HỆ SỐNG

 Phương pháp nghiên cứu – thống kê

 Phương pháp nhiệt động

 Nguyên lý số 0

nếu hai hệ cân bằng nhiệt với một

hệ thứ ba thì chúng ở trạng thái cân bằng nhiệt với nhau

 ứ ng dụng:

CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG TRONG HỆ SỐNG

bi ế n m ấ t, nó ch ỉ bi ế n đ ổ i t ừ d ạ ng này sang d ạ ng khác” Lomonosov 1774, Hexo 1836, Jun 1877

Nguyên lý thứ nhất : “Nhi ệ t l ượ ng Q mà h ệ nh ậ n

Định luật Hexo

 Hiệu ứng nhiệt của một quá trình hóa

học phức tạp chỉ phụ thuộc vào dạng và trạng thái của chất đầu và chất cuối chứ không phụ thuộc vào cách biến chuyển

 Ví dụ:

C(bột rắn) + O2 = CO2 + 97 Kcal/mol

CO + ½ O2 = CO2 + 68 Kcal/mol

C(bột rắn) + ½ O2 = CO + 29 Kcal/mol

Những hạn chế của Định luật 1 NĐH

 Cà phê ở lặng yên trong cốc trên bàn nó

tự nhiện lạnh xuống và tự xoay tròn?

 Tại sao không thể cấp nhiệt để hòn đá

tự sinh công để nâng mình lên được?

 Quá trứng rơi xuống cái cốc và vỡ, vậy khi đun nóng quá trứng sao không trở

thành nguyên vẹn và tự nhảy lên?

 Cái gì trên thế giới xác định chiều

hướng của thời gian, quá trình?

Nguyên lý thứ hai cho biết khả năng cũng như

xu hướng của các quá trình trong hệ.

Đối với hệ sống, người ta xét trên 3 đại lượng:

Gradien

 Gradien – của 1 tham số nào đó là hiệu giá trị của tham số đó ở 2 điểm chia cho khoảng cách giữa hai điểm đó

Exp: gradien nồng độ dC/dx = (C2-C1)/dx

 Gradien là 1 đại lượng vecto

 Gradien nồng độ, gradien điện thế … như vậy sự có mặt của gradien tạo ra khả

năng thực hiện công của tế bào sống

Entrophy và NL II Nhiệt động

 Entrophy là 1 khái niệm khá trừa tượng ko thể đo trực tiếp và công thức để định nghĩa entrophy có một số cách khác nhau

 Để dễ nắm bắt vấn đề hơn, đưa ra số quá trình chính.

 Quá trình chuyển công thành nhiệt và chuyển

nhiệt thành công

 Quá trình thuận nghịch và bất thuận nghịch

 Chu trinh Carnot và động cơ nhiệt

Quá trình chuyển công thành nhiệt và chuyển nhiệt thành công

 Định luật 2 (dạng 1): Không thể biển đối

nhiệt lượng hoàn toàn thành công mà

không có một sự biến đổi nào khác xảy

ra

 >> công có thể biến hoàn toàn thành

nhiệt nhưng nhiệt chỉ có thể biến một

phần thành công, còn một phần không

thể tránh khỏi, bị mất mát cho môi

trường Q>A

Động cơ nhiệt

 Động cơ nhiệt là những động

cơ trong đó một phần năng

lượng của nhiên liệu bị đốt cháy chuyển hóa thành cơ năng Các loại động cơ nhiệt: máy hơi

nước, động cơ đốt trong

 Một động cơ nhiệt phải tiếp xúc với 2 nguồn nhiệt: nguồn nóng

và nguồn lạnh

Sự truyền nhiệt

 Định luật 2 (dạng 2):

Nhiệt lượng không thể truyền từ một vật này sang một vật khác

1 Quá trình thuận nghịch:

bên ngoài.

QUÁ TRÌNH THUẬN NGHỊCH

VÀ BẤT THUẬN NGHỊCH

Chu trình Carnot ( ~1820 )

 Chu trình Carnot là một chu trình thuận nghịch

 Thực nghiệm cũng đã chứng minh rằng mọi chu trình nhiệt động lực học thuận nghịch đều là chu trình kết hợp của các chu trình Carnot nhỏ hơn.

Chu trình Carnot

theo chu trình Carnot thuận nghịch không phụ thuộc vào cấu tạo máy mà chỉ phụ thuộc và nhiệt độ nguồn nóng và nguồn lạnh”

>>>>> η < 1

“Tất cả các chu trình không thuận nghịch có hiệu suất nhỏ hơn các chu trình thuận nghịch hoạt động giữa cùng hai nguồn nhiệt.”

Entropi là gì?

Định nghĩa 1: Entropy - Nhiệt rút gọn

Biến thiên Entropy trong quá trình thuận nghịch

 Ở quá trình thuận nghịch đẳng nhiệt

ΔS = S2 – S1 = dQ/T

 Ở quá trình thuận nghịch đoạn nhiệt

ΔS = 0

Biến thiên Entropy trong quá trình bất thuận nghịch

 ΔS > 0

 ΔS > ∫dQ/T

 Entropy đặc trưng cho tính một chiều, tính

bất thuận nghịch của quá trình

 Xác suất nhiệt động ω: số các trạng thái

vi mô tương ứng với trạng thái vĩ mô

của hệ

 S = k lnω

Entropi là gì?

 Entropi – mũi tên thời gian

 Entropi – mức độ của sự hỗn độn nguyên tử

Điều kiện tự diễn biến của hệ ( phản ứng )

Ứng dụng nguyên lý II

 Cho thấy khả năng, chiều hướng và giới hạn của 1 quá trình: gradient

 Quá trình diễn ra làm tăng entropy của

hệ cho tới khi cân bằng: 1 quá trình tự diễn là quá trình tự tiến tới sự hỗn loạn

 Hệ thống sống là hệ có cấu trúc trật tự cao, vậy có áp dụng NL II được không?

Thay đổi Entropy ở hệ thống sống

 Hệ thống sống: có trật tự cao và khả năng sinh công, Entropi không cực đại và năng lượng tự

Entropy max Entropy khác không và là hăng

số

Vấn đề còn bỏ ngỏ

 Quá trình tự diễn tiến nhưng diễn

ra như thế nào?

 Có các quá trình khác nhau trong

hệ diễn ra song song, nối tiếp

hay có quan hệ phức tạp khác?